Интеллектуальные технологии (стр. 3 из 4)

Механические датчики должны давать электрический сигнал. Имеется лишь несколько механических явлений, которые могут создать электрический сигнал:

• взаимное смещение двух частей конструкции;

• резонансные колебания структуры.

Отметим, что смещения и колебания могут возникать при изменении температуры или внешней нагрузки (рис.2.14). До сих пор все описанные в литературе микромеханические датчики основаны лишь на этих двух явлениях, а именно на изменении резонансной частоты или появлении электрического сигнала при смещении двух частей измерительного элемента. Имеется два процесса, приводящих к возникновению электрического сигнала. Первый состоит в изменении электрического сопротивления термопары при изменении деформации или температуры. Этот принцип широко используют в микромеханических датчиках уже более 20 лет. Второй основан на изменении электрической емкости двух параллельных плоскостей, одна из которых может перемещаться. В некоторых ситуациях движение может быть обнаружено оптически, что позволяет комбинировать тензодатчики и оптические волокна. Хотя этот метод кажется привлекательным, на практике он применялся не слишком широко.

Первый широко используемый сенсор, основанный на кремниевой МЭМС, представлял собой диафрагму, на краю которой, т.е. в области больших деформаций, размещали пьезорезисторы. Во втором методе к измерительной диафрагме крепили механический резонатор в форме мостовой перемычки, как показано на рис.2.15. Изгиб диафрагмы вызывает изменение силы натяжения перемычки и, как следствие, изменение ее резонансной частоты. Это позволяет достичь более высокой точности и устойчивости работы измерительного элемента по сравнению с пьезорезисторным методом, причем технологические этапы его создания остаются практически теми же.

Измерением резонансной частоты вибратора (рис.2.15) можно контролировать любой внешний параметр, изменяющий силу растяжения перемычки, в том числе и температуру, поскольку различие коэффициентов теплового расширения вибрирующей перемычки и основания изменяет величину растягивающей силы. С другой стороны, при правильном выборе материалов можно практически полностью избавиться от температурной чувствительности датчика, что увеличивает точность измерения других физических параметров. При помощи такой микроструктуры можно измерять скорость струи газа, действующего на мембрану или измерительную перемычку. Кроме того, измерения можно проводить, нанося на перемычку химически активное покрытие, изменяющее ее размеры или массу под действием химических реакций или адсорбции.

На центральную область вибрирующего чувствительного элемента можно поместить массу. В результате сила натяжения перемычки будет зависеть от величины ускорения в направлении, перпендикулярном плоскости перемычки (рис.2.16). Акселерометр может определять направление ускорения, если сделать перемычку намного более жесткой в перпендикулярном направлении. Акселерометр можно использовать в системе управления, создав "обратную связь" с источником ускоряющей силы. При этом он может иметь также форму балки. Достоинством кремния является исключительная линейность, без сколько-нибудь существенного механического гистерезиса.

Большой интерес представляют также МЭМС на основе гироскопического измерительного элемента. Принцип их работы основан на действии кориолисовой центробежной силы. Эта сила модулирует резонансную частоту колебаний вращающегося элемента в форме кольца или бокала (скорость вращения нужно измерить). Сила Кориолиса приводит к различному изменению резонансных частот по двум направлениям в плоскости вращения, причем разность резонансных частот пропорциональна скорости вращения. Одним из достоинств таких гироскопов является отсутствие вращающихся подшипников. МЭМС с колебательным элементом в форме бокала разрабатывали по крайней мере 25 лет, но несмотря на это он не нашел широкого применения до сих пор. Это обусловлено тем, что для получения высокой чувствительности необходима чрезвычайно высокая точность производства деталей. Производство осуществляется с допусками до сотен или даже тысяч слоев кремния, но чувствительность датчика ограничена малой массой. Тем не менее микромеханический кремниевый гироскоп еще не раскрыл весь свой потенциал.

В настоящее время МЭМС используются в интеллектуальных структурах очень редко. Между тем они имеют множество достоинств. В частности, они имеют размеры порядка долей миллиметра и способны работать при очень высоких температурах. Информацию с них можно считывать оптически или передавать по миниатюрному электроканалу связи. Еще одним их преимуществом является возможность обеспечения очень быстрого реагирования, за время порядка долей микросекунды.

Можно отметить, что МЭМС-датчики, в отличие от волоконно-оптических, особенно удобны для контроля поведения небольших устройств. Уже реализованы системы, исследующие отдельные участки поверхности кристаллов. Это возможно благодаря малости МЭМС-датчиков. Они применяются и в медицинских целях. Тем не менее до сих пор используется лишь малая доля их потенциала, и область широкого применения МЭМС-систем еще не найдена. Наиболее перспективным выглядит их применение в медицине, биологии, экологии и призводстве высокоточного оборудования.

2.3.3. Пъезокерамики и пьезоэлектрические полимеры

В датчиках из пьезоэлектрических материалов напряжения или деформации приводят к появлению электрического заряда на двух поверхностях, что проявляется в виде разности электрического потенциала (рис.2.17). Наиболее широко применяют циркониевые и титановые пьезоэлектрические керамики. На втором месте стоят пьезоэлектрические полимеры, как правило ПВДФ. Кроме них, используют пьезоэлектрики из титаната бария, ниобата лития и окиси цинка.

Пьезоэлектрические сенсорные системы можно использовать совместно с МЭМС и оптоволоконными датчиками. Отметим, что они могут решать обратную задачу, преобразуя электрическое поле в механическое напряжение, возбуждая ультразвуковую волну. Пьезоэлектрические полимеры наносят на волокна для измерения величины электрического поля, а некоторые материалы, преимущественно окись цинка, используют как источники и датчики ультразвука совместно с МЭМС. Кристаллические пьезоэлектрики вроде ниобата лития и пьезокерамик также использовали в качестве источников и датчиков ультразвука в не слишком маленьких МЭМС.

В интеллектуальных системах пьезоэлектрики применяют в следующем качестве:

• детекторов давления или деформации, обычно пьезокерамических;

• датчиков, дающих интегральную информацию о поведении целой области. Как правило, их делают из пьезополимера;

• сенсоров, которые с помощью микроканалов связи информируют о давлении во многих точках поверхности. Для этого используют полимерные пленочные пьезоэлектрики. Отметим, что в настоящее время область применения пъезоэлектри-ков интенсивно расширяется.

1.3.4. Поверхностные пленки и нити

Сенсоры в виде поверхностного покрытия известны уже достаточно давно. Например, покрытия, изменяющие цвет под действием внешнего воздействия. Обычно такие покрытия и аналогичные им ткани не позволяют получить точной количественной информации. Однако часто требуется лишь качественная информация о достижении контролируемым параметром порогового значения, а в некоторых случаях соответствующий анализ качественных характеристик может дать количественный результат. В инженерном смысле пленки и нити являются плохими датчиками, но именно так биологические системы получают всю информацию, кроме визуальной и акустической.

Возможно, самый известный пример таких систем - это трикотажная рубашка, которая становится красной, когда ее температура приближается к температуре тела. Этот случай стал объектом многих, не всегда вежливых, комментариев. В технических изделиях специальные краски и покрытия используют для обнаружения места поверхностного воздействия ("синяков") и выявления достижения некоторого порога температуры. Большинство так называемых интеллектуальных красок используют химические реакции в полимерах, в результате которых появляются пигменты, изменяющие цвет поверхности после теплового или механического воздействия.

Углеродные волокна изменяют сопротивление под действием деформации, что характерно для пьезорезисторов. Это свойство используют для контроля уровня деформации в углепластиках. Использование волокон для контроля уровня напряжения имеет очевидные преимущества несмотря на то, что их нельзя назвать "хорошими" инженерными датчиками в связи с разбросом характеристик. Тем не менее они дают очень полезную качественную информацию, анализ которой характеризует состояние структуры.

Резистивные полимерные нити дают аналогичную информацию о состоянии гибких и жестких конструкций. Полимерные нити вводят в ткани и с помощью множества электродов на концах волокон получают сенсорную систему, которую можно приклеивать к структурам любой формы. Чувствительные полимерные волокна можно вводить и в волокнистые композиты типа углепластиков. Однако в этом случае температура отверждения полимерной матрицы должна быть не слишком высокой, чтобы не испортилось чувствительное полимерное волокно.